CN113452380A - 星载sar原始数据压缩方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种星载SAR原始数据压缩方法，包括：操作S1：对采样数据进行分块和分离符号位；操作S2：基于前一采样数据块的均值得到后一采样数据块的均值，进而得到所有采样数据块的均值；操作S3：通过所述采样数据块的均值获得归一化因子从而对采样数据进行归一化处理得到归一化数据；操作S4：基于并联比较结构将所述归一化数据转换为温度码；操作S5：将所述温度码转换为二进制码；操作S6：将采样数据块的均值、符号位和二进制码比特拼接后打包压缩。本公开同时还提供一种星载SAR原始数据压缩装置。

Description

星载SAR原始数据压缩方法及装置
技术领域
本公开涉及合成孔径雷达及数据处理技术领域，尤其涉及一种星载SAR原始数据压缩方法及装置。
背景技术
星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)原始数据压缩是解决观测任务获取的海量数据与有限的存储资源和通信带宽之间存在矛盾的有效办法。考虑到星载SAR数字处理系统具体实现的复杂性、实时性以及性能因素，基于分块自适应量化(BlockAdaptive Quantization，BAQ)的压缩算法是最实用的方案。
在硬件实现时，需要对采样数据在距离向和方位向分块，在方位向使用滑窗累加的方式递推估计下一采样数据块的均值，然后采用非线性映射的方式获取对应的标准差，利用标准差对数据进行归一化。对于高斯分布的量化数据，信号幅度均值与8位ADC输入信号标准差非线性映射关系为：
Figure BDA0003133543510000011
其中，σ代表输入信号标准差，误差函数的定义是：
Figure BDA0003133543510000012
使用如图1所示的“均值-ADC输入标准差”关系对数据进行归一化之后，就可以使用Lloyd-Max量化器对数据进行最优量化。
传统的实时BAQ方案采用了高低地址结合编码储存的方式，将数据块的均值作为高位地址，将采样数据的绝对值作为低位地址，使用直接寻址查表的方式进行压缩编码，这种译码模式由于地址很长，所需要的码书中存在大量的冗余信息，对应所需要的星载数字资源也很大。
综上所述，如何更有效地降低系统的资源消耗和实现成本是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种星载SAR原始数据压缩方法及装置，以缓解现有技术中实时BAQ数据压缩方法存在大量冗余信息，占用资源很大等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种星载SAR原始数据压缩方法，包括：操作S1：对采样数据进行分块和分离符号位；操作S2：基于前一采样数据块的均值得到后一采样数据块的均值，进而得到所有采样数据块的均值；操作S3：通过所述采样数据块的均值获得归一化因子从而对采样数据进行归一化处理得到归一化数据；操作S4：基于并联比较结构将所述归一化数据转换为温度码；操作S5：将所述温度码转换为二进制码；操作S6：将采样数据块的均值、符号位和二进制码比特拼接后打包压缩。
根据本公开实施例，操作S1时，对采样数据进行距离向和方位向的分块。
根据本公开实施例，操作S2时，采用滑动窗方式，基于前一采样数据块的均值流水递推得到后一采样数据块的均值。
根据本公开实施例，所述归一化因子为标准差的倒数，用服从不同标准差的采样数据乘以标准差的倒数，对数据进行一次量化。
根据本公开实施例，归一化操作时，将分块均值作为地址通过均值-标准差倒数查找表来获取标准差倒数，其中的标准差指的是ADC输入标准差，归一化后的采样数据将近似服从标准正态分布。
根据本公开实施例，所述并联比较结构是基于无冗余信息的Lloyd-Max门限查找表配置的。
根据本公开实施例，操作S5时，通过二进制转码器将所述温度码转换为二进制码。
本公开的另一方面，还提供一种星载SAR原始数据压缩装置，采用以上任一项所述的压缩方法对星载SAR原始数据进行压缩，所述压缩装置，包括：数据分配器，用于对采样数据进行分块和分离符号位并计数；分块滑窗均值递推器，用于基于前一采样数据块的均值得到后一采样数据块的均值，进而得到所有采样数据块的均值；均值-标准差倒数查找表，用于基于所述采样数据块的均值获得归一化因子从而对采样数据进行归一化处理得到归一化数据；二次量化器，基于无冗余信息的Lloyd-Max门限查找表配置的并联比较结构将所述归一化数据转换为温度码；二进制转码器，将所述温度码转换为二进制码；以及数据形成器，用于将采样数据块的均值、符号位和二进制码比特拼接后打包压缩。
根据本公开实施例，所述二进制转码器先将温度码译码为独热码，然后将独热码转化为压缩二进制编码输出。
根据本公开实施例，所述二进制转码器包括两个子译码器。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开星载SAR原始数据压缩方法及装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)能够降低量化失真带来的性能损失；
(2)降低了基于BAQ算法实现的传统实时数据压缩模块对数字资源的消耗量；
(3)降低了系统的实现成本，有助于系统提升多模块之间集成度。
附图说明
图1为现有技术中对采样数据进行归一化时均值-ADC输入标准差关系示意图。
图2为本公开实施例的星载SAR原始数据压缩方法的流程架构示意图。
图3为本公开实施例的星载SAR原始数据压缩装置架构原理图。
图4为本公开实施例的部分Lloyd-Max量化门限查找表的示意图。
图5为本公开实施例的星载SAR原始数据压缩方法的流程示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种星载SAR原始数据压缩方法及装置，为基于分块自适应量化的改进型星载合成孔径雷达原始数据压缩处理方法，采用ADC输入标准差代替了传统方案中的输出标准差来设计码表，在信号饱和程度较高时，可以降低量化失真带来的性能损失。本设计降低了基于BAQ算法实现的传统实时数据压缩模块对数字资源的消耗量，降低了系统的实现成本，有助于系统提升多模块之间集成度。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种星载SAR原始数据压缩方法，结合图2至图5所示所示，所述星载SAR原始数据压缩方法，包括：
操作S1：对采样数据进行分块和分离符号位；
操作S2：基于前一采样数据块的均值通过流水递推方式得到后一采样数据块的均值，进而得到所有采样数据块的均值；
根据本公开实施例，对采样数据进行距离向和方位向的分块累加得到多个采样数据块，用前一采样数据块的均值方位流水递推后一采样数据块的均值，累加采用滑动窗方式，即不更新全部的脉冲采样，保留旧的部分数据参与统计均值；
操作S3：基于所述采样数据块的均值获得归一化因子从而对采样数据进行归一化处理得到归一化数据；
用“均值-标准差倒数”查找表基于前一采样数据块的均值对后一数据块做归一化处理；
操作S4：基于并联比较结构将所述归一化数据转换为温度码；
根据本公开实施例，用Lloyd-Max门限查找表配置并联比较器，对归一化数据做二次量化，将数据转换为温度码；
操作S5：将所述温度码转换为二进制码；
用译码器将温度码转码为二进制码；
操作S6：将采样数据块的均值、每个采样数据的符号位和二进制码比特拼接后打包压缩。
根据本公开实施例，将采样数据块的均值、每个采样数据的符号位和压缩编码的二进制比特拼接后打包输出。
第二方面，本公开提供一种星载SAR原始数据压缩装置，如图3所示，包括：
一个对数据拆分符号位、分块并计数的数据分配器；
一个以分块采样数据作为输入的分块滑动均值递推器；
一个基于“均值-标准差倒数”查找表对采样数据块做归一化的一次量化器；
一个基于并联比较器结构的二次量化器；
一个无冗余信息的Lloyd-Max量化门限查找表；
一个二进制转码器；
一个用于比特拼接的数据形成器；
根据本公开的实施例，所述的数据分配器是由计数器和标志位组构成的，输出端分流出符号位和采样数据的绝对值。
根据本公开的实施例，所述的滑动均值递推器是由计数器、累加器构成的，当分块的数据大小恰好是2的整数次幂时，直接截取累加器的输出端高几位就能直接获得平均值。
根据本公开的实施例，所述的“均值-标准差倒数”查找表选择标准差的倒数而不是标准差本身，是为了便于一次量化器通过乘法实现归一化，因为乘法器所占的资源比除法器要少很多。
根据本公开的实施例，所述的基于并联比较器结构的二次量化器是由无冗余信息的Lloyd-Max门限查找表配置的，其中并联比较结构的延迟非常低，可以直接获取温度码输出。
根据本公开的实施例，所述的Lloyd-Max量化器查找表是通过仅仅保留必要的量化区间来实现无冗余存储的。
根据本公开的实施例，所述的二进制转码器由2个子译码器组成，温度码通过组合逻辑译码为独热码，独热码也可以由组合逻辑译码为二进制编码，模块占用资源都不高，而且整体延迟较低。
根据本公开的实施例，所述的用于比特拼接的数据形成器将预先设计好的多个比特：块均值、符号位和二进制编码后数据以一定的协议，打包拼接成字节流输出。
下面将结合附图对本公开加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本公开的理解，而对其不起任何限定作用。
采样数据经过拆分符号位和分块后，进入到滑动递推器中。子模块对采样数据的绝对值进行距离向和方位向的分块累加，用前多块采样数据块的均值方位流水递推后一采样数据块的均值，累加采用滑动窗方式，即不更新全部的脉冲采样，保留旧的部分数据参与统计均值。
传统的星载SAR实时数据压缩方案将数据块的均值作为高位地址，将采样数据的绝对值作为低位地址，使用直接寻址查表的方式进行压缩编码，这种译码模式由于寻址码特别长，所需要的码书中存在大量的冗余信息，需要占用大量的星载数字资源。
如果对AD数据取7bits，均值编码也使用7bits，则码表的地址长度将达到14bits，而为了适应不同压缩率的BAQ模式，码表内容一般包含了2、3、4、5不同压缩率的码字，在系统同时兼容8∶1(仅保留符号位)、8∶2、8∶3、8∶4、8∶5、8∶6这六种压缩率的功能下，系统所需的码表大小为：
2(7+7)×(1+2+3+4+5)＝240Kbits＝30KB；
对于星载FPGA来说，这是一笔不小的存储空间需求。造成这么大需求的原因在于：本来应该只有一份的Lloyd-Max码表，因为要适应不同的均值档位，从而乘以了128个不同均值对应的均方差，从而复制了128份，另外，128种采样值都有一个专属的码值，然而，每张码表却并没有128个不同的码值，以8∶2为例，其实码表中只有2个值，而2个值却总共出现了128次。进一步地，对于方位多通道系统来说，如果有多路分块数据同时BAQ流水操作，则储存需求还要在此基础上乘以路数。
为了降低系统的存储资源占用，本公开对解码过程进行拆分，将一张大表解耦成2张小表，第一张表是“均值-标准差倒数”映射查找表，其映射关系如图1所示，通过块均值可以从表中快速获取归一化因子，用服从不同标准差的采样数据乘以估计出的标准差的倒数，对数据进行一次量化，得到服从标准正态分布的数据，以备统一的Lloyd-Max量化器进行二次量化。
为了尽可能减少资源占用，表格被特意设计为“均值-标准差倒数”映射查找表，用标准差倒数代替标准差的好处是数字系统只需要采用乘法器就能实现归一化，是因为FPGA中的除法器都是时序逻辑电路，其延迟和资源占用量都远大于整形数的乘法器，后者可以用少量组合逻辑电路实现，延迟低而资源占用少。
使用本文提出的使用乘法代替除法的归一化处理，要使用定点数的运算规则来实现这一操作，因此，对于参与运算的三个数：采样数据、均值-标准差倒数映射表中的因子和Lloyd-Max量化码表做一些二进制表达上的转化，将他们理解为具有一定精度的定点小数，当然其储存和运算时依旧为整形数结构，以实现不含除法的全整形流水构架。此时，输入的采样数据与“均值-均方差倒数”映射表中的因子相乘，标准差为σ，则因子为标准差的倒数1\σ，使用一定精度的二进制定点数描述。
现结合具体实施例说明如下：
例如一个长度为7位的数据40与值为1/50.361244＝0.0199的归一化标准差因子相乘，因子采用8位字长精度表示，小数点位于第一位之前，则这个运算过程表示为如下表1：
表1
运算过程 结果
十进制计算过程 40×0.0199 0.7943
二进制计算过程 010_1000×0000_0101 0000_0000_1100_1000
对于二进制计算结果，因为包含了8位定点小数部分，要将小数点安排在从右往左数的第8个位置，结果为0.11001000，也就是0.7812，相比准确值0.7943出现了一定精度的损失，如果将因子的字长增加到16位，则计算结果为0.7941，这也就说明了定点小数计算的有效性是可以保证的，而且增加因子的字长有助于提升结果的精度。
使用定点小数表示的因子对数据进行放缩后，数据已经高度服从标准正态分布，此时将原始的Lloyd-Max码表也拓展成2进制定点小数表示，做小数点对齐后做比较运算，就可以使用一张统一的Lloyd-Max码表，根据门限电平完成2次编码。
这样一来，所需要的码表只有2张：一张“均值-均方差倒数”查找表，以及一张Lloyd-Max门限查找表，其储存空间的需求不再是两者的乘积，而是两者需求的叠加，假设“均值-均方差倒数”表的阶数为128，倒数因子字长和门限字长都取8位，那么现在需要的储存空间为
2(7)+(21+22+23+24+25)×8＝1520bits＜1.5KB；
相比原始的方法，所提出的改进方法可以节约20多倍的储存资源。
以上所述，仅为本公开的一个实施例而已，在其他情况下本公开仍然适用，并非用于限定本公开的保护范围。
本公开通过增加少量逻辑运算资源拆分原有的编码步骤，解耦后的编码流程降低了系统整体的资源占用量，并结合数据分块技术，在方位向流水递推后一采样数据块的均值来实现数据预处理。本改进克服了传统方案对于大量储存资源的需求，使得模块在保证功能和性能的前提下具有更低的资源占用。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开星载SAR原始数据压缩方法及装置有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种星载SAR原始数据压缩方法及装置，为基于分块自适应量化的改进型星载合成孔径雷达原始数据压缩处理方法及装置，包括：对采样数据在距离向和方位向两个维度进行分块，在方位向块间做流水递推处理，基于前几块采样数据块的均值使用均值-方差倒数表对后一采样数据块做归一化，再使用基于并联比较结构实现的二次量化器将数据编码为温度码，然后使用译码器将温度码转码为二进制码，最后数据形成器将块均值、符号位和对应二进制打包，将流水比特拼接后输出。装置包括：对采样数据块求均值的滑动递推器；实现“均值-标准差倒数”映射的查找表；对数据做归一化的一次量化器；基于Lloyd-Max量化器设计的无冗余量化门限查找表；基于并联比较实现的二次量化器；基于温度码-独热码-二进制实现的编码器；对所有数据完成比特拼接的数据形成器。本公开摒弃了传统的高低地址结合寻址的编码方式，去除了传统方案中的冗余储存信息，只需要少量的存储资源即可实现完整的BAQ编码功能，有效降低了实现的成本。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种星载SAR原始数据压缩方法，包括：
操作S1：对采样数据进行分块和分离符号位；
操作S2：基于前一采样数据块的均值得到后一采样数据块的均值，进而得到所有采样数据块的均值；
操作S3：通过所述采样数据块的均值获得归一化因子从而对采样数据进行归一化处理得到归一化数据；
操作S4：基于并联比较结构将所述归一化数据转换为温度码；
操作S5：将所述温度码转换为二进制码；
操作S6：将采样数据块的均值、符号位和二进制码比特拼接后打包压缩。
2.根据权利要求1所述的星载SAR原始数据压缩方法，操作S1时，对采样数据进行距离向和方位向的分块。
3.根据权利要求1所述的星载SAR原始数据压缩方法，操作S2时，采用滑动窗方式，基于前一采样数据块的均值流水递推得到后一采样数据块的均值。
4.根据权利要求1所述的星载SAR原始数据压缩方法，所述归一化因子为标准差的倒数，用服从不同标准差的采样数据乘以标准差的倒数，对数据进行一次量化。
5.根据权利要求4所述的星载SAR原始数据压缩方法，归一化操作时，将分块均值作为地址通过均值-标准差倒数查找表来获取标准差倒数，其中的标准差指的是ADC输入标准差，归一化后的采样数据将近似服从标准正态分布。
6.根据权利要求1所述的星载SAR原始数据压缩方法，所述并联比较结构是基于无冗余信息的Lloyd-Max门限查找表配置的。
7.根据权利要求1所述的星载SAR原始数据压缩方法，操作S5时，通过二进制转码器将所述温度码转换为二进制码。
8.一种星载SAR原始数据压缩装置，采用权利要求1-7任一项所述的压缩方法对星载SAR原始数据进行压缩，所述压缩装置，包括：
数据分配器，用于对采样数据进行分块和分离符号位并计数；
分块滑窗均值递推器，用于基于前一采样数据块的均值得到后一采样数据块的均值，进而得到所有采样数据块的均值；
均值-标准差倒数查找表，用于基于所述采样数据块的均值获得归一化因子从而对采样数据进行归一化处理得到归一化数据；
二次量化器，基于无冗余信息的Lloyd-Max门限查找表配置的并联比较结构将所述归一化数据转换为温度码；
二进制转码器，将所述温度码转换为二进制码；以及
数据形成器，用于将采样数据块的均值、符号位和二进制码比特拼接后打包压缩。
9.根据权利要求8所述的星载SAR原始数据压缩装置，所述二进制转码器先将温度码译码为独热码，然后将独热码转化为压缩二进制编码输出。
10.根据权利要求9所述的星载SAR原始数据压缩装置，所述二进制转码器包括两个子译码器。
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